[논문]20nm이하 FinFET의 크기변화에 따른 서브문턱스윙분석

정학기

20nm이하 FinFET의 크기변화에 따른 서브문턱스윙분석
Analysis of Dimension Dependent Subthreshold Swing for FinFET Under 20nm 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.10 no.10, 2006년, pp.1815 - 1821

정학기 (군산대학교 전자정보공학부)

초록
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본 연구에서는 20m이하 채널길이를 가진 FinFET에 대하여 문턱 전압이 하에서 서브문턱 스윙을 분석하였다. 분석을 위하여 분석 학적 전류모델을 개발하였으며 열방사 전류 및 터 널링 전류를 포함하였다. 열방사전류는 포아슨 방정식에 의하여 구한 포텐셜분포 및 맥스월-볼쯔만통계를 이용한 캐리어분포를 이용하여 구하였으며 터널링전류는 WKB(Wentzel-Kramers-Brillouin) 근사를 이용하였다. 이 두 모델은 상호 독립적이므로 각각 전류를 구해 더 함으로써 차단전류를 구하였다. 본 연구에서 제시한 모델을 이용하여 구한 서브문턱스윙 값이 이차원시뮬레이션 값과 비교되었으며 잘 일치함을 알 수 있었다. 분석 결과 10nm이하에서 특히 터널링의 영향이 증가하여 서브문턱스윙특성이 매우 저하됨을 알 수 있었다. 이러한 단채널현상을 감소시키기 위하여 채널두께 및 게이트산화막의 두께를 가능한 한 얇게 제작하여 야함을 알았으며 이를 위한 산화공정 개발이 중요하다고 사료된다. 또한 채널도핑 변화에 따른 서브문턱 스윙 값을 구하였으며 저도핑영역에서 일정한 값을 가지는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the subthreshold swing has been analyzed for FinFET under channel length of 20nm. The analytical current model has been developed , including thermionic current and tunneling current models. The potential distribution by Poisson equation and carrier distribution by Maxwell-Boltzman statistics are used to calculate thermionic emission current and WKB(Wentzel-Kramers-Brillouin) approximation to tunneling current. The cutoff current is obtained by simple adding two currents since two current is independent. The subthreshold swings by this model are compared with those by two dimensional simulation and two values agree well. Since the tunneling current increases especially under channel length of 10nm, the characteristics of subthreshold swing is degraded. The channel and gate oxide thickness have to be fabricated as am as possible to decrease this short channel effects, and this process has to be developed. The subthreshold swings as a function of channel doping concentrations are obtained. Note that subthreshold swings are resultly constant at low doping concentration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 FinFET의 분석학적 전류모델을 이号 하여 게이트산화막, 채널두께 및 채널길이에 따른 서브문 턱 스윙(5S ; Subthreshold swing)의 변화 등 단채 널효과에 미 치 는 영 향을 고찰하고자 한다. 사용된 전류모델은 포아슨 방정식으로부터 유도되었으며 열 방사(thermionic emission) 및 터널링(tunneling) 전류를 이용하여 전체 전류를 계산 하였다 .
본 연구에서는 그림 1과 같이 대부분의 전자전송이 발 생하는 채널영역에 대한 전류모델을 계산하고자한다. 채 널두께 如와 게이트 산화막두께 그리고 채널길이 Ls 등을 변화시 키 면서 서 브문턱 스윙 을 분석 할 것 이 다.
본 연구에서는 소자의 크기에 대한 3S 특성의 변화를 고찰하기 위하여 게이트산화막두께 및 채널두께 그리고 게이트길이 % 의 변화에 따라 전송특성 인 서브문턱 스윙 S■ 가 어 떻게 변화하는지 조사, 고찰할 것이 다. 또한 게 이 트길이가20nm이 하에서 는 터 널링 전류를 무시 할 수 없으 므로 이러한 크기인자들이 터널링전류에 미치는 영향도 함께 고려할 것이다.
본 연구에서는 이중게이트FinFET에 대한 크기변화에 따른단채널효과의 변화에 대하여 고찰하였다.FinFET구 조는 수평 형 및 수직 형 이 중게 이 트구조보다 공정 상, 구조 상 장점을 가지는 것으로 알려져 있다.
문턱전압이 하에서 긴채널 FET의 경우는 열방사에 의 한 전류가 우세 하나 나노구조FET의 경우 터널링 전류가 매우증가하여 서 브문턱 스윙 , 문턱 전압이 동(Threshold voltage roll-off), 드레 인유기 장벽 저 하(DIBL; Drain Induced Barrier Lowering) 등 단채 널효과에 의 한 전송특성 저 하가 발생 하 게 된다. 이 러한 단채널효과중서브문턱스윙의 변화를 고 찰하기 위 하여 전류모델을 제 시 하고자 한다.
또한 도핑농도의 변화에 대한 SS의 변화도 고찰함으로써 도 핑농도와 SS 의 상관관계 를 유도할 것 이 다. 특히 坛 가 차 단영역에서 차단전류에 미치는 영향을 집중분석함으로 써 단채널에 의한 누설전류의 증가에 대하여 고찰할 것이 다.

제안 방법

FinFET구 조는 수평 형 및 수직 형 이 중게 이 트구조보다 공정 상, 구조 상 장점을 가지는 것으로 알려져 있다. 분석을 위하여 분 석학적 전류모델을 제시하였으며 문턱전압이하 영역에 서 중요한 열방사전류 그리 고 게이트길이가 이 하 서 중요한 전류메카니즘인 터널링전류를 각각 독립적으 로 유도하여 차단전류를 구하고 단채 널효과를 분석하였 다. 이하로 채널길이가 작아지는 FET소자구조에 서는 터널링에 의한 특성저하가 매우 심각하므로 이에 대 한 분석도 병행하였다.
분석을 위하여 분 석학적 전류모델을 제시하였으며 문턱전압이하 영역에 서 중요한 열방사전류 그리 고 게이트길이가 이 하 서 중요한 전류메카니즘인 터널링전류를 각각 독립적으 로 유도하여 차단전류를 구하고 단채 널효과를 분석하였 다. 이하로 채널길이가 작아지는 FET소자구조에 서는 터널링에 의한 특성저하가 매우 심각하므로 이에 대 한 분석도 병행하였다.

데이터처리

던저 본 연구에서 사용한 모델의 타당성을 증명하기 위하여 이차원 시뮬레 이션결과[기와 본 연구의 결과를 비 교하였다. 그림 3에 서브문턱스윙 에 대 한 결과를 도시하 였다.

이론/모형

먼저 포텐셜분포E를구하기 위하여 포아슨방정식을 이용하였다.
본 연구에서는 FinFET의 분석학적 전류모델을 이号 하여 게이트산화막, 채널두께 및 채널길이에 따른 서브문 턱 스윙(5S ; Subthreshold swing)의 변화 등 단채 널효과에 미 치 는 영 향을 고찰하고자 한다. 사용된 전류모델은 포아슨 방정식으로부터 유도되었으며 열 방사(thermionic emission) 및 터널링(tunneling) 전류를 이용하여 전체 전류를 계산 하였다 .
열방사전류는 전위장벽보다 높은 에너지를 지닌 전자 에 의한 전류이므로 이에 해당하는 전자농도를 구하기 위 하여 맥스웰-볼쯔만통계에 의한 전자분포식을 이용하였다.
여 기 서 M 는 채 널내 도핑 농도이 며 esi 는 실 리 콘의 유 전율이다. 이때 서브문턱영역에서 채널포텐셜은 완전히 결핍상태에서 이차원 포아슨방정식을 이용하여 구하였 다.[5]
터 널링 전류는 WKB(Wentzel-Kramers- Brillouin) 근사 를 이용하여 구하였다. 이 근사방법에 의한 오차는 매우 작은 것으로 Stadele 등回이 최근 발표하였다.

성능/효과

그림 5는 보다 자세히 第 특성을 관찰하기 위 하여 채널두께와 게이트산화막 두께의 변화에 따른 SS 의 변화 를게이트길이 에서 계산한결과이다. 터널링이 발 생하지 않을 경우 이상적인 SS 값인 60 ~ 70ml//d«:"에 도달할수있으나터널링이 발생하면 게 이트산화막 두께 및 채널두께를 조정하여도 90mV/dec 값 이하의 SS 를 얻기 힘들다는 것을 알수 있다. 즉, 터널링에 의하여 소자 의 SS 특성이 급격히 저하되며 누설전류도 급격히 증가 함을 알 수 있다.
HnFET 공정은 이온주입에 의 하여 채널이 형성되는 일반 FET공정과 달리 층을 마 스크로 이용한 식각공정에 의하여 채널두께가 결정되므로 게이트산화막 두께와 더블어 마스크용 산화막 제작공정이 매우 중요하다고 사료된다. 결론적으로 터널링이 발생하여 도 우수한 전송특성을 유지하기 위해선 채널두께, 게이트산 화막 두께 등을 얇게 제 작할 수 있는 공정 이 필수적 이 다.
본 연구에서 제시한 전류모델은 이차원시뮬레이션 결 과와 매우 잘 일치 하였다. 이 모델을 이용하여 구한 서브 문턱 스윙을 분석 해 보면, 터 널 링 에 의 하여 특성 이 급격 히 저하되는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서 제시한 전류모델은 이차원시뮬레이션 결 과와 매우 잘 일치 하였다. 이 모델을 이용하여 구한 서브 문턱 스윙을 분석 해 보면, 터 널 링 에 의 하여 특성 이 급격 히 저하되는 것을 알 수 있었다. 특히 1(阮皿〜 이하 의 게이트길이를 갖는 FinFET의 경우 터널링에 의한 전 류가 급격 히 상승하여 디지 털소자로 사용하기 어 려울 정 도로 서브문턱 스윙값이 증가함을 알 수 있었다.
역시 터널링 에 의 하여 SS 가 증가함을 알 수 있다. 채널두께가 증가하면 매우 큰 폭 으로 SS 가 증가함을 알 수 있는데 결과적 으로 채 널두께 를 작게 유지 하여 야 할 것 이 다. 저 도핑 에서 는 전도중심 이 일정하기 때문에 약 이하에서는 거의 일정한 SS 값을 유지 함을 알 수 있다.
비교를 위하여 SS= 60m V/dec 이 되는 그래프 도 함께도시하였다. 터널링을 무시하였을 때는 게이트길 이에 관계없이 거의 SS= 60mV/dec 의 값을 가지나 터 널링이 발생하였을 때는 게이트길이가 작아질수록 터널 링 전류가 크게 증가하며 SS 값이 증가함을 알 수 있다. 채 널길이가 작아지면 대부분의 전류가 터널링에 의하여 구 성됨을 알 수 있으며 증가비율도 급격히 증가함을 그림 4 에서 확인할수 있다.
이 모델을 이용하여 구한 서브 문턱 스윙을 분석 해 보면, 터 널 링 에 의 하여 특성 이 급격 히 저하되는 것을 알 수 있었다. 특히 1(阮皿〜 이하 의 게이트길이를 갖는 FinFET의 경우 터널링에 의한 전 류가 급격 히 상승하여 디지 털소자로 사용하기 어 려울 정 도로 서브문턱 스윙값이 증가함을 알 수 있었다. 이와같 은 현상을 줄이 기 위하여 채널의 두께 및 게 이트산화막두 께를 감소시 키 면 서 브문턱 스윙 값을 낮출 수 있을 것으로 사료되나 이는 공정개발이 선행되어야할것이다.

후속연구

이와같 은 현상을 줄이 기 위하여 채널의 두께 및 게 이트산화막두 께를 감소시 키 면 서 브문턱 스윙 값을 낮출 수 있을 것으로 사료되나 이는 공정개발이 선행되어야할것이다. 게이트 산화각 뿐만이 아니라 채널두께를 정의하는 산화막형성 공정도 또한 개발되어야 할 것이다. 채널도핑농도에 따른 서 브문턱 스윙을 분석 한 결과, 안정 적 인 서브문턱 스윙을 얻고자할 때는 정도의 저도핑공정이 요구되며 언급한 바와같이 채널두께 및 게이트산화막두께를 얇게 제작하여야만 할 것이다.
채 널두께 如와 게이트 산화막두께 그리고 채널길이 Ls 등을 변화시 키 면서 서 브문턱 스윙 을 분석 할 것 이 다. 또한 도핑농도의 변화에 대한 SS의 변화도 고찰함으로써 도 핑농도와 SS 의 상관관계 를 유도할 것 이 다. 특히 坛 가 차 단영역에서 차단전류에 미치는 영향을 집중분석함으로 써 단채널에 의한 누설전류의 증가에 대하여 고찰할 것이 다.
채널도핑농도에 따른 서 브문턱 스윙을 분석 한 결과, 안정 적 인 서브문턱 스윙을 얻고자할 때는 정도의 저도핑공정이 요구되며 언급한 바와같이 채널두께 및 게이트산화막두께를 얇게 제작하여야만 할 것이다. 이 연구의 결과를 이용하여 향 후 FinFET의 전송특성을 연구하는데 도움이 될 것이다. 특히 이 연구는 문턱전압이하에서 차단영역에 걸친 전압 영역에서 수행되었으므로 선형영역 및 포화영역에서의 전류모델 개발이 이루어져야 할 것이다.
특히 1(阮皿〜 이하 의 게이트길이를 갖는 FinFET의 경우 터널링에 의한 전 류가 급격 히 상승하여 디지 털소자로 사용하기 어 려울 정 도로 서브문턱 스윙값이 증가함을 알 수 있었다. 이와같 은 현상을 줄이 기 위하여 채널의 두께 및 게 이트산화막두 께를 감소시 키 면 서 브문턱 스윙 값을 낮출 수 있을 것으로 사료되나 이는 공정개발이 선행되어야할것이다. 게이트 산화각 뿐만이 아니라 채널두께를 정의하는 산화막형성 공정도 또한 개발되어야 할 것이다.
게이트 산화각 뿐만이 아니라 채널두께를 정의하는 산화막형성 공정도 또한 개발되어야 할 것이다. 채널도핑농도에 따른 서 브문턱 스윙을 분석 한 결과, 안정 적 인 서브문턱 스윙을 얻고자할 때는 정도의 저도핑공정이 요구되며 언급한 바와같이 채널두께 및 게이트산화막두께를 얇게 제작하여야만 할 것이다. 이 연구의 결과를 이용하여 향 후 FinFET의 전송특성을 연구하는데 도움이 될 것이다.
이 연구의 결과를 이용하여 향 후 FinFET의 전송특성을 연구하는데 도움이 될 것이다. 특히 이 연구는 문턱전압이하에서 차단영역에 걸친 전압 영역에서 수행되었으므로 선형영역 및 포화영역에서의 전류모델 개발이 이루어져야 할 것이다.

참고문헌 (9)

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상세보기
A.Rahmam, J.Guo, S.Datta, M.S.Lundstrom, 'Theory of Ballistic Nanotransistors,' IEEE Trans. Electron Devices, vol. 50, no.9, pp.1853-1864, 2003

상세보기
H.Liu, Z.Xiong, J.K.O.Sin, 'Implementation and Characterization of the Double-Gate MOSFET Using Lateral Solid-Phase Epitaxy,' IEEE Trans. Electron Devices, vol. 50, no.6, pp.1552-1555, 2003

상세보기
H.R.Huff and P.M.Zeitzoff, 'The Ultimate CMOS Device:A 2003 Perspective,' the 2003 International Conference on Characterization and Metrology for ULSI Technology, pp.1-16, Austin,Texas, 2003
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원문보기 상세보기
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D.Munteanu and J.L.Autran, 'Two-dimensional modeling of quantum ballistic transport in ultimate double-gate SOl devices,' Solid-State Electronics, vol.47, pp.1219-1225, 2003

상세보기
B.Yu,L.Chang, S.Ahmed, H.Wang, S.Bell, C.Yang, C.Tabery, C.Ho, Q.Xiang, T.King, J.Bokor, C.Hu, M.Lin, D.Kyser, 'FinFET Scaling to 10mn Gate Length,' IEDM, SanFrancisco, CA, 2002
H.K.Jung and S.Dimitrijev, 'Analysis of Subthreshold Carrier Transport for Ultimate Double Gate MOSFET,' IEEE Trans. Electron Devices, vol. 53, no.4, pp. 685-691, 2006

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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